JP5803484B2

JP5803484B2 - パワーモジュール用基板およびその製造方法

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Publication number: JP5803484B2
Application number: JP2011206038A
Authority: JP
Inventors: 慎介青木; 長瀬　敏之; 敏之長瀬
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-09-21
Also published as: JP2013069767A

Description

本発明は、パワーモジュール用基板およびその製造方法に関する。

一般に、電力供給のためのパワーモジュールは、発熱量が比較的高い半導体素子である。このパワーモジュール用基板としては、例えば、ＡｌＮ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等からなるセラミックス基板の両面に、アルミニウム板等の金属板をろう材を介して接合させたものが用いられる。セラミックス基板に接合された金属板の一方は、後工程のエッチング処理によって所望パターンの回路が形成されて回路層となり、電子部品（半導体チップ等のパワー素子）が搭載される。また、セラミックス基板に接合された金属板の他方（回路層）には、ヒートシンクが接合される。

電子部品およびヒートシンクが接合されてなるパワーモジュールにおいて、電子部品から発生する熱は、ヒートシンクによって放散される。従来、パワーモジュールにおいては回路層及び放熱層とも同じ板材で形成されるのが一般的であったが、近年では、放熱層の熱伸縮によってセラミックス基板に生じる熱応力を緩和するために、放熱層を肉厚に形成して緩衝機能を持たせることが検討されている。

回路層と放熱層とで、厚さや形状が異なる場合、ろう付けのための加熱処理を経由することにより、薄肉側（回路層側）を凸とする反りが生じる。特許文献１には、回路層の体積を放熱層の体積よりも大きくするなどの構成により、パワーモジュール用基板を任意の反り量で反らせ、セラミックス基板の割れを防止する技術が記載されている。

特開２００２−２５２４３３号公報

パワーモジュール用基板とヒートシンクとを接合する際には、ヒートシンクの天板上にパワーモジュール用基板を載置して、ヒートシンクの天板とパワーモジュール用基板の放熱層とをろう付する方法が採用できる。しかしながら、パワーモジュール用基板が反っていると、ヒートシンクへの取り付けが阻害されるという問題が生じる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、反り量が小さく、ヒートシンクとの接合が容易なパワーモジュール用基板を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックス基板の両面に、それぞれろう材を介在させて回路層用金属板およびこの回路層用金属板よりも厚い放熱層用金属板を厚さ方向に積層してなる基板積層体を形成し、この基板積層体を、カーボン製板材からなる厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の第１挟装体と、厚さ０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下のグラファイトシートおよびこのグラファイトシートを挟んで積層された厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の２枚のカーボン板からなる板状の第２挟装体との間に挟むとともに、前記放熱層用金属板と前記第１挟装体とが当接し、前記回路層用金属板と前記第２挟装体とが当接するよう積層し、これらを加熱しながら積層方向に加圧することにより、前記基板積層体における前記セラミックス基板と各金属板とをろう付するパワーモジュール用基板の製造方法である。

この製造方法によれば、基板積層体を、第１挟装体と第２挟装体との間に挟んで、加熱しながら積層方向に加圧することによりろう付することにより、剛性の高い第１挟装体によって反りを抑えるとともに、弾性率の高い第２挟装体によって基板積層体の全面を均一に加圧できるので、反りを抑えながら確実に接合することができる。

また、本発明は、セラミックス基板の両面に、それぞれろう材を介在させて回路層用金属板およびこの回路層用金属板よりも厚い放熱層用金属板を厚さ方向に積層してなる基板積層体を形成し、この基板積層体を、カーボン製板材からなる厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の第１挟装体と、厚さ０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下のグラファイトシートおよびこのグラファイトシートを挟んで積層された厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の２枚のカーボン板からなる板状の第２挟装体とを交互に介在させながら複数積層配置するとともに、前記放熱層用金属板と前記第１挟装体とが当接し、前記回路層用金属板と前記第２挟装体とが当接するよう積層し、これらを加熱しながら積層方向に加圧することにより、各前記基板積層体における前記セラミックス基板と各金属板とをろう付する。
これにより、複数の基板積層体を、反りを抑えながら製造することができる。

これらの製造方法において、前記第１挟装体は、０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚さを有する１枚のカーボン板であることが好ましい。この場合、第１挟装体が十分な剛性を有するため、平面度の高いパワーモジュール用基板を得ることができる。

本発明のパワーモジュール用基板の製造方法によれば、セラミックス基板の両面に金属板をろう付することにより生じる反りを抑え、平面度が高いパワーモジュール用基板を提供できる。

本発明に係るパワーモジュール用基板を用いて製造されたパワーモジュールを示す断面図である。基板積層体、カーボン板およびクッションシートを示す側面図である。本発明にかかるパワーモジュール用基板の製造方法を示す側面図である。

以下、本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法の実施形態について説明する。図１に示すパワーモジュール１００は、パワーモジュール用基板１０と、パワーモジュール用基板１０の表面に搭載された半導体チップ等の電子部品２０と、パワーモジュール用基板１０の裏面に接合されたヒートシンク３０とから構成されている。

ヒートシンク３０は、たとえばアルミニウム合金の押し出し成形により形成され、その長さ方向に沿って冷却水を流通させるための多数の流路３０ａが形成されている。

パワーモジュール用基板１０は、セラミックス基板１１の両面にそれぞれ回路層用金属板１２および放熱層用金属板１３が厚さ方向に積層され、Ａｌよりも低融点のろう材（好ましくはＡｌ−Ｓｉ系ろう材）によって接合されてなる。各部材の厚さは、たとえばセラミックス基板１１が０．６３５ｍｍ、回路層用金属板１２が０．６ｍｍ、放熱層用金属板１３が１．６ｍｍに設定される。このパワーモジュール用基板１０において、（回路層用金属板１２の厚さ）／（放熱層用金属板２４の厚さ）の比率は、０．０４〜０．８７５である。

セラミックス基板１１は、厚さ０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下のＡｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４，Ａｌ_２Ｏ_３等からなる。

回路層用金属板１２は、厚さ０．１ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の純アルミニウム板（好ましくは４Ｎ−Ａｌ板）からなる。パワーモジュール１００においては、回路層用金属板１２はエッチング等により所定の回路パターン状に成形されており、その上に電子部品２０がはんだ材等によって接合されている。

放熱層用金属板１３は、回路層用金属板１２よりも厚く、厚さ０．１ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の純度９９．０ｍａｓｓ％以上の純アルミニウム板からなる。パワーモジュール１００においては、この放熱層用金属板１３の表面１３ａにヒートシンク３０がろう付等によって接合されている。ヒートシンク３０がろう付される放熱層用金属板の表面１３ａには、ヒートシンクとのろう付時にフラックスを接合面間から流出させるための微細な溝１３ｂが複数形成されている。

すなわち、セラミックス基板１１の両面にろう付される金属板１２，１３は、厚さも形状も異なっている。このような部材を積層状態にろう付してなるパワーモジュール用基板１０は、従来はろう付の際に反りが発生しやすく、その後のヒートシンク３０との接合が困難となる場合があった。

本実施形態に係るパワーモジュール用基板１０の製造方法においては、まず、セラミックス基板１１の両面にそれぞれろう材を介在させて、回路層用金属板１２および放熱層用金属板１３を積層して、基板積層体４０を形成する（図２参照）。

図３に示すように、この基板積層体４０を、比較的剛性の高いカーボン製板材からなる第１挟装体（カーボン板）４１とクッション性を有する板状の第２挟装体（クッションシート）４２との間に挟み、加熱しながら厚さ方向に加圧することにより、パワーモジュール用基板１０を製造する。このとき、基板積層体４０はカーボン板４１とクッションシート４２との間に挟まれていればよく、回路層用金属板１２および放熱層用金属板１３のいずれがカーボン板４１，クッションシート４２のいずれに当接していてもよい。なお、接合後のパワーモジュール用基板１０は、回路層側を上に凸状に反りが生じる。そのため、放熱層用金属板１３と第１挟装体４１とが当接し、回路層用金属板１２と第２挟装体４２とが当接するよう積層することが望ましい。

さらに、本実施形態では、図３に示すように、図面の上方より回路層用金属板１２、セラミックス基板１１、放熱層用金属板１３の順序で積層しているが、放熱層用金属板１３と第１挟装体４１とを当接させ、回路層用金属板１２と第２挟装体４２とを当接させるように、基板積層体４０が交互に逆方向になるように積層されているのがより望ましい。

カーボン板４１は、厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下（本実施形態では３ｍｍ）の１枚の平坦なカーボン製板材からなる。また、クッションシート４２は、厚さ０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）のグラファイトシート４２ａおよびこのグラファイトシート４２ａを挟んで積層された厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下（本実施形態では１ｍｍ）の２枚のカーボン板４２ｂからなる。

クッションシート４２を構成するグラファイトシート４２ａは、たとえば、旭グラファイト株式会社製Ｔ−５（熱伝導率：７５．４Ｗ／ｍｋ、弾性率：１１．４ＧＰａ）や、東洋炭素工業株式会社製黒鉛シートＰＦ（圧縮率４７％、復元率１４％）などを用いることができる。

図３に示すように、これらカーボン板４１とクッションシート４２とを交互に複数積層し、その間に基板積層体４０を配置することにより、複数の基板積層体４０を同時にろう付することができる。

以上説明した本発明に係るパワーモジュール用基板の製造方法において、基板積層体４０を挟む挟装体を以下のように変化させて接合し、得られたパワーモジュール用基板１０の反り量、ろう染み面積率および接合欠陥率を比較する実験を行った。パワーモジュール用基板の反り量は、Ｍｉｔｓｕｔｏｙｏ製ＱｕｉｃｋＳｃｏｐｅ（３次元測定器）を用いて、放熱層用金属板１３の表面を１６点測定することにより測定した。

ろう染みの評価は、ろう染みの面積率によって行った。具体的には、Mitsutoyo製Quick Scopeを用いて、回路層の端部からの延びているろう染み幅の平均値を算出し、それに回路層の一辺の長さを掛けてろう染みの面積を算出した。次に、ろう染み面積率を（ろう染み面積）／（回路層全面積）から算出した。

また、接合欠陥率は、次のように算出した。まず、電子スキャン方式の超音波検査装置を用いて、回路層金属板とセラミックス基板との接合不良個所を検出する。反射率の関係から接合不良部分は白く見えるので、画像処理により二値化して、その接合不良部分の面積を測定する。そして、この（接合不良部分の面積）／（回路層全面積）から、接合欠陥率を算出した。

（実施例１）
２８ｍｍ×２８ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの回路層金属板１２、２６ｍｍ×２６ｍｍ、厚さ１．６ｍｍ放熱層用金属板１３および３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのセラミックス基板１１を準備し、回路層金属板１２とセラミックス基板１１との間およびセラミックス基板１１と回路層金属板１２との間に厚さ１５μｍのＡｌ−７．５ｗｔ％Ｓｉのろう箔を介装させて積層した基板積層体４０について、図３に示すようにカーボン板４１とクッションシート４２との間で５．０〜６．０ｋｇ／ｃｍ^２（０．４９〜０．５８ＭＰａ）の荷重を加えながら温度６４５℃で加熱してろう付けした。接合後のパワーモジュール用基板１０における放熱層用金属板１３の反り量、ろう染み面積率、および接合欠陥率の結果を表１に示す。

（比較例１）
一方、剛性の高いカーボン板４１を用いずに、従来のようにクッションシート４２間に基板積層体を配置した他は実施例１と同様の条件で基板積層体を加圧接合した。接合後のパワーモジュール用基板１０における反り量、ろう染み面積率および接合欠陥率の結果を表１に示す。

（比較例２）
さらに、クッションシート４２を用いずに、剛性の高いカーボン板４１間に基板積層体を配置した他は実施例１と同様の条件で基板積層体を加圧接合した。接合後のパワーモジュール用基板１０における反り量、ろう染み面積率および接合欠陥率の結果を表１に示す。

（実施例２）
実施例１記載の２７組の基板積層体４０を、厚さ３ｍｍのカーボン製板材１枚からなるカーボン板４１およびクッションシート４２を交互に介在させて積層し、実施例１と同様の条件でろう付接合した。接合後のパワーモジュール用基板１０の反り量、ろう染み面積率および接合欠陥率の算術平均値の結果を表１に示す。

（比較例３）
一方、カーボン製板材を用いずに、厚さ１ｍｍのグラファイトシートの両面に厚さ１ｍｍのカーボン板で挟んだクッションシート４２を介在させて２７組の基板積層体４０を積層し、実施例１と同様の条件でろう付接合した。接合後のパワーモジュール用基板１０の反り量、ろう染み面積率および接合欠陥率の算術平均値の結果を表１に示す。

（比較例４）
さらに、クッションシート４２を用いずに、すべて厚さ３ｍｍのカーボン板を介在させて２７組の基板積層体４０を積層し、実施例１と同様の条件でろう付接合した。接合後のパワーモジュール用基板１０の反り量、ろう染み面積率および接合欠陥率の算術平均値の結果を表１に示す。

この実験結果から、第１挟装体の剛性が高い方が、パワーモジュール用基板１０の平面度がより良好である反面、基板積層体４０の両面を剛性の高いカーボン板で挟むとろう染みや接合欠陥率などが増加することが確認できた。

以上の結果を鑑み、複数の基板積層体４０を挟むカーボン板４１およびクッションシート４２の枚数割合を変化させたところ、クッションシート４２の割合が多いほど平面度が低下する一方で接合欠陥率が低下した。反面、カーボン板４１の割合が多いほど平面度が向上する一方で接合欠陥率が増加した。つまり、カーボン板４１とクッションシート４２との枚数割合の変化において、平面度と接合欠陥率とはトレードオフの関係にあり、平面度と接合欠陥率とを鑑みて良品を多く得られたのはカーボン板４１およびクッションシート４２の枚数割合を１：１とした場合、すなわちこれらを交互に配置した場合であった。

以上の実験結果から、剛性の高いカーボン板４１がパワーモジュール用基板１０の平面度向上に寄与し、一方でクッションシート４２がパワーモジュール用基板１０の接合欠陥率の低下に寄与していることが確認できた。

以上説明したように、本発明の製造方法によれば、剛性の高いカーボン板とクッション性を有するクッションシートとの間で加圧しながら基板積層体をろう付するので、平面度が良好であり、確実に接合されたパワーモジュール用基板を得ることができる。

なお、本発明は前記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。たとえば、上述の実験のように、厚さ３ｍｍの１枚のカーボン板の代わりに、複数枚の薄いカーボン製板材を積層したものを第１挟装体として用いてもよい。

１０パワーモジュール用基板
１１セラミックス基板
１２回路層用金属板
１３放熱層用金属板
１３ａ表面
１３ｂ溝
２０電子部品
３０ヒートシンク
３０ａ流路
４０基板積層体
４１第１挟装体（カーボン板）
４２第２挟装体（クッションシート）
４２ａグラファイトシート
４２ｂカーボン板
１００パワーモジュール

Claims

セラミックス基板の両面に、それぞれろう材を介在させて回路層用金属板およびこの回路層用金属板よりも厚い放熱層用金属板を厚さ方向に積層してなる基板積層体を形成し、
この基板積層体を、カーボン製板材からなる厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の第１挟装体と、厚さ０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下のグラファイトシートおよびこのグラファイトシートを挟んで積層された厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の２枚のカーボン板からなる板状の第２挟装体との間に挟むとともに、前記放熱層用金属板と前記第１挟装体とが当接し、前記回路層用金属板と前記第２挟装体とが当接するよう積層し、
これらを加熱しながら積層方向に加圧することにより、前記基板積層体における前記セラミックス基板と各金属板とをろう付することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
セラミックス基板の両面に、それぞれろう材を介在させて回路層用金属板およびこの回路層用金属板よりも厚い放熱層用金属板を厚さ方向に積層してなる基板積層体を形成し、
この基板積層体を、カーボン製板材からなる厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の第１挟装体と、厚さ０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下のグラファイトシートおよびこのグラファイトシートを挟んで積層された厚さ０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の２枚のカーボン板からなる板状の第２挟装体とを交互に介在させながら複数積層配置するとともに、前記放熱層用金属板と前記第１挟装体とが当接し、前記回路層用金属板と前記第２挟装体とが当接するよう積層し、
これらを加熱しながら積層方向に加圧することにより、各前記基板積層体における前記セラミックス基板と各金属板とをろう付することを特徴とするパワーモジュール用基板の製造方法。
前記第１挟装体は、０．８ｍｍ以上３．０ｍｍ以下の厚さを有する１枚のカーボン板であることを特徴とする請求項１または２に記載のパワーモジュール用基板の製造方法。